《電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)課件PPT

1、電子技術(shù)基礎(chǔ),主編,制作,2014年9月,歡迎學(xué)習(xí),第1章 電子技術(shù)中常用半導(dǎo)體器件,第2章 基本放大電路,第3章 集成運算放大器,第4章 數(shù)字邏輯基礎(chǔ),第6章 觸發(fā)器,第8章 存儲器,第9章 數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,第5章 邏輯門與組合邏輯電路,第7章 時序邏輯電路,電子技術(shù)基礎(chǔ),第1章 半導(dǎo)體基礎(chǔ)與常用器件,1.1 半導(dǎo)體的基本知識,1.2 半導(dǎo)體二極管,1.3 特殊二極管,1.4 雙極型三極管,1.5 單極型三極管,學(xué)習(xí)目的與要求,了解本征半導(dǎo)體、p型和n型半導(dǎo)體的特征及pn結(jié)的形成過程；熟悉二極管的伏安特性及其分類、用途；理解三極管的電流放大原理，掌握其輸入和輸出特性的分析方法；理解雙極

2、型和單極型三極管在控制原理上的區(qū)別；初步掌握工程技術(shù)人員必需具備的分析電子電路的基本理論、基本 知識和基本技能,1.1 半導(dǎo)體的基本知識,繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子帶負(fù)電,自然界的一切物質(zhì)都是由分子、原子組成的。 原子又由一個帶正電的原子核和在它周圍高速旋轉(zhuǎn)著的帶有負(fù)電的電子組成,原子結(jié)構(gòu)中,原子核中有質(zhì)子和中子， 其中質(zhì)子帶正電，中子不帶 電,1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,1） 導(dǎo)體,導(dǎo)體的最外層電子數(shù)通常是13個，且距原子核較遠(yuǎn)，因此受原子核的束縛力較小。由于溫度升高、振動等外界的影響，導(dǎo)體的最外層電子就會獲得一定能量，從而掙脫原子核的束縛而游離到空間成為自由電子。因此，導(dǎo)體在常溫下存在大量

3、的自由電子，具有良好的導(dǎo)電能力。常用的導(dǎo)電材料有銀、銅、鋁、金等,導(dǎo)體的特點,內(nèi)部含有大量的自由電子,2） 絕緣體,絕緣體的最外層電子數(shù)一般為68個，且距原子核較近，因此受原子核的束縛力較強(qiáng)而不易掙脫其束縛。 常溫下絕緣體內(nèi)部幾乎不存在自由電子，因此導(dǎo)電能力極差或不導(dǎo)電。 常用的絕緣體材料有橡膠、云母、陶瓷等,絕緣體的特點,內(nèi)部幾乎沒有自由電子，因此不導(dǎo)電,3） 半導(dǎo)體,半導(dǎo)體的最外層電子數(shù)一般為4個，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而在常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也是介于導(dǎo)體和絕緣體之間。 常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等,半導(dǎo)體的特點,導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但具有光敏性、熱

4、敏性和參雜性的獨特性能，因此在電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用,金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕 緣體的電導(dǎo)率通常是10-2210-14s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 則在10-9102s/cm量級,半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然介于導(dǎo)體和絕緣體之間，但半導(dǎo) 體的應(yīng)用卻極其廣泛，這是由半導(dǎo)體的獨特性能決定的,光敏性半導(dǎo)體受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng),熱敏性受溫度的影響，半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大,摻雜性在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電 能力極大地增強(qiáng),半導(dǎo)體材料的獨特性能是由其內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理所決定的,2. 半導(dǎo)體的獨特性能,3. 本征半導(dǎo)體,最常用的半導(dǎo)體為硅(si)和鍺(ge)。它們的共同特

5、征是四價 元素，即每個原子最外層電子數(shù)為4個,si(硅原子,ge(鍺原子,硅原子和鍺原子的簡化模型圖,因為原子呈電中性，所以簡化模型圖中的原子核只用帶圈的+4符號表示即可,天然的硅和鍺是不能制作成半導(dǎo)體器件的。它們必須先經(jīng)過高度提純，形成晶格結(jié)構(gòu)完全對稱的本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體原子核最外層的價電子都是4個，稱為四價元 素，它們排列成非常整齊的晶格結(jié)構(gòu)。在本征半導(dǎo)體的晶格 結(jié)構(gòu)中，每一個原子均與相鄰的四個原子結(jié)合，即與相鄰四 個原子的價電子兩兩組成電子對，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu),實際上半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)是三維的,晶格結(jié)構(gòu),共價鍵結(jié)構(gòu),從共價鍵晶格結(jié)構(gòu)來看，每個原子外層都具有8個價電子。但價電子是相鄰原子共

6、用，所以穩(wěn)定性并不能象絕緣體那樣好,在游離走的價電子原位上留下一個不能移動的空位，叫空穴,受光照或溫度上升影響，共價鍵中價電子的熱運動加劇，一些價電子會掙脫原子核的束縛游離到空間成為自由電子,由于熱激發(fā)而在晶體中出現(xiàn)電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā),本征激發(fā)的結(jié)果，造成了半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子載流子運動的產(chǎn)生，由此本征半導(dǎo)體的電中性被破壞，使失掉電子的原子變成帶正電荷的離子,由于共價鍵是定域的，這些帶正電的離子不會移動，即不能參 與導(dǎo)電，成為晶體中固定不動的帶正電離子,受光照或溫度上升影響，共價鍵中其它一些價電子直接跳進(jìn)空穴，使失電子的原子重新恢復(fù)電中性,價電子填補空穴的現(xiàn)象稱為復(fù)合,此時整個晶體帶電

7、嗎？為什么,參與復(fù)合的價電子又會留下一個新的空位，而這個新的 空穴仍會被鄰近共價鍵中跳出來的價電子填補上，這種價 電子填補空穴的復(fù)合運動使本征半導(dǎo)體中又形成一種不同 于本征激發(fā)下的電荷遷移，為區(qū)別于本征激發(fā)下自由電子 載流子的運動，我們把價電子填補空穴的復(fù)合運動稱為空 穴載流子運動,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有本質(zhì)上的區(qū)別： 金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中 則是由本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和復(fù)合運動產(chǎn)生的空穴兩種 載流子同時參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號相反，電 流的方向為空穴載流子的方向即自由電子載流子的反方向,自由電子載流子運動可以形 容為沒有座位人的移動；空

8、穴 載流子運動則可形容為有座位 的人依次向前挪動座位的運動。 半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運動總是 共存的，且在一定溫度下達(dá)到 動態(tài)平衡,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,本征半導(dǎo)體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù) 量極少導(dǎo)電能力仍然很低。如果在其中摻入某種元素的微量 雜質(zhì)，將使摻雜后的雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng),五價元素磷(p,摻入磷雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，自由電子的數(shù)量大大增加。因此自由電子是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流,在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時，電 子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。摻入五價元素的雜質(zhì)半導(dǎo) 體由于自由電子多而稱為電子型半導(dǎo)體，也叫做n型半導(dǎo)體,4. 本征半導(dǎo)體,三價元素硼(b

9、,摻入硼雜質(zhì)的硅半導(dǎo)體晶格中，空穴載流子的數(shù)量大大增加。因此空穴是這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電主流,一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù) 載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體 的導(dǎo)電能力可增強(qiáng)幾十萬倍,摻入三價元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體，由于空穴載流子的數(shù)量大大于自 由電子載流子的數(shù)量而稱為空穴型半導(dǎo)體，也叫做p型半導(dǎo)體。 在p型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是自由電 子，而不能移動的離子帶負(fù)電,不論是n型半導(dǎo)體還是p型半導(dǎo)體，其中的多子和少子的 移動都能形成電流。但是，由于多子的數(shù)量遠(yuǎn)大于少子的 數(shù)量，因此起主要導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子,注意,摻入雜質(zhì)后雖然形成了n型或

10、p型半導(dǎo)體，但整個半 導(dǎo)體晶體仍然呈電中性,一般可近似認(rèn)為多數(shù)載流子的數(shù)量與雜質(zhì)的濃度相等,p型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否意味著帶正電,自由電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的區(qū)別在哪里？空穴載流子的形成是否由自由電子填補空穴的運動形成的,想想 練練,5. pn結(jié)及其形成過程,pn結(jié)的形成,雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力雖然比本征半導(dǎo)體極大增強(qiáng)，但它 們并不能稱為半導(dǎo)體器件。在電子技術(shù)中，pn結(jié)是一切半導(dǎo) 體器件的“元概念”和技術(shù)起始點,p區(qū),n區(qū),空間電荷區(qū),內(nèi)電場,動畫演示,pn結(jié)形成的過程中，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載流子的漂移共存。開始時多子的擴(kuò)散運動占優(yōu)勢，擴(kuò)散運動的結(jié)果使pn結(jié)加寬，內(nèi)電場增強(qiáng)；另一方面

11、，內(nèi)電場又促使了少子的漂移運動：p區(qū)的少子電子向n區(qū)漂移，補充了交界面上n區(qū)失去的電子，同時， n區(qū)的少子空穴向p區(qū)漂移，補充了原交界面上p區(qū)失去的空穴，顯然漂移運動減少了空間電荷區(qū)帶電離子的數(shù)量，削弱了內(nèi)電場，使pn結(jié)變窄。最后，擴(kuò)散運動和漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本穩(wěn)定，即pn結(jié)形成,pn結(jié)內(nèi)部載流子基本為零，因此導(dǎo)電率很低，相當(dāng)于介質(zhì)。 但pn結(jié)兩側(cè)的p區(qū)和n區(qū)導(dǎo)電率很高，相當(dāng)于導(dǎo)體，這一點和 電容比較相似，所以說pn結(jié)具有電容效應(yīng),4. pn結(jié)的單向?qū)щ娦?pn結(jié)反向偏置時的情況,pn結(jié)的單向?qū)щ娦?pn結(jié)的上述“正向?qū)ǎ聪蜃钄唷弊饔?，說明它具有單向 導(dǎo)電性，pn結(jié)的

12、單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ),由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而 且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流幾乎不隨外加 電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。反 向飽和電流由于很小一般可以忽略，從這一點來看，pn結(jié)對 反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的反向阻斷作用。 值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致 電子空穴對增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增 長。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè) 計電路時，必須考慮溫度補償問題,pn結(jié)中反向電流的討論,2. 半導(dǎo)體受溫度和光照影響，產(chǎn)生本征激發(fā)現(xiàn)象而出現(xiàn)電子、空穴對；同時，其它價電子又不

13、斷地 “轉(zhuǎn)移跳進(jìn)”本征激發(fā)出現(xiàn)的空穴中，產(chǎn)生價電子與空穴的復(fù)合。在一定溫度下，電子、空穴對的激發(fā)和復(fù)合最終達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體中的載流子濃度一定，即反向電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化,1. 半導(dǎo)體中少子的濃度雖然很低 ，但少子對溫度非常敏感，因此溫度對半導(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度，所以說多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響,4. pn結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福簆n結(jié)正向偏置時，呈現(xiàn)的電阻很小幾乎為零，因此多子構(gòu)成的擴(kuò)散電流極易通過pn結(jié)；pn結(jié)反向偏置時，呈現(xiàn)的電阻趨近于無窮大，因此電流無法通過被阻斷,3. 空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指其內(nèi)電場阻礙多數(shù)載流子

14、擴(kuò)散運動的作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過空間電荷區(qū)，即空間電荷區(qū)對擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻作用,學(xué)習(xí)與歸納,6. pn結(jié)的反向擊穿問題,pn結(jié)反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過pn結(jié)的電流很小，基本上可視為零值。但當(dāng)電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為pn結(jié)反向擊穿。 反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)。擊穿的原因主要有兩種,當(dāng)pn結(jié)上加的反向電壓大大超過反向擊穿電壓時，處在強(qiáng) 電場中的載流子獲得足夠大的能量碰撞晶格，將價電子碰撞 出來，產(chǎn)生電子空穴對，新產(chǎn)生的載流子又會在電場中獲得 足夠能量，再去碰撞其它價電子產(chǎn)生新的電子空穴對，如此 連鎖反應(yīng)，使反向電流越來越大，這種擊穿稱為

15、雪崩擊穿。 雪崩擊穿屬于碰撞式擊穿，其電場較強(qiáng)，外加反向電壓相 對較高。通常出現(xiàn)雪崩擊穿的電壓均在7v以上,1)雪崩擊穿,當(dāng)pn結(jié)兩邊的摻雜濃度很高，阻擋層又很薄時，阻擋層內(nèi)載流子與中性原子碰撞的機(jī)會大為減少，因而不會發(fā)生雪崩擊穿,2)齊納擊穿,pn結(jié)非常薄時，即使阻擋層兩端加的反向電壓不大，也 會產(chǎn)生一個比較強(qiáng)的內(nèi)電場。這個內(nèi)電場足以把pn結(jié)內(nèi)中 性原子的價電子從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生出大量的電子 空穴對，使pn結(jié)反向電流劇增，這種擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊 穿?？梢?，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的pn結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，一般均小于5v,雪崩擊穿是一種碰撞的擊穿，齊納擊穿是一種場效應(yīng)擊 穿，二者均屬于電

16、擊穿。電擊穿過程通?？赡妫褐灰杆?把pn結(jié)兩端的反向電壓降低，pn結(jié)就可恢復(fù)到原來狀態(tài)。 利用電擊穿時pn結(jié)兩端電壓變化很小電流變化很大的特 點，人們制造出工作在反向擊穿區(qū)的穩(wěn)壓管,若pn結(jié)兩端加的反向電壓過高，反向電流將急劇增長， 造成pn結(jié)上熱量的不斷積累，從而引起結(jié)溫持續(xù)升高，當(dāng) 這個溫度超過pn結(jié)的最大允許結(jié)溫時，pn結(jié)就會發(fā)生熱擊 穿，熱擊穿將使pn結(jié)永久損壞。 熱擊穿的過程是不可逆的，應(yīng)當(dāng)盡量避免發(fā)生,3)熱擊穿,能否說出pn結(jié)有何特性？半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體有何不同,什么是本征激發(fā)？什么是復(fù)合？少數(shù)載流子和多數(shù)載流子是如何產(chǎn)生的 ,想想 練練,1.2 半導(dǎo)體二極管,把pn結(jié)

17、用管殼封裝，然后在p區(qū)和n區(qū)分別向外引出一 個電極，即可構(gòu)成一個二極管。二極管是電子技術(shù)中最基 本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、 穩(wěn)壓管和整流管等,硅高頻檢波管,開關(guān)管,穩(wěn)壓管,整流管,發(fā)光二極管,電子工程實際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實物圖,1. 二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型,點接觸型：結(jié)面積小，適用于 高頻檢波、脈沖電路及計算機(jī) 中的開關(guān)元件,外殼,觸絲,n型鍺片,正極引線,負(fù)極引線,面接觸型：結(jié)面積大，適用于 低頻整流器件,負(fù)極引線,底座,金銻合金,pn結(jié),鋁合金小球,正極引線,普通二極管 圖符號,穩(wěn)壓二極管 圖符號,發(fā)光二極管 圖符號,使用二

18、極管時，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的可能,2. 二極管的伏安特性,二極管的伏安特性是指流過二極管的電流與兩端所加電壓的函數(shù)關(guān)系。二極管既然是一個pn結(jié)，其伏安特性當(dāng)然具有“單向?qū)щ娦?二極管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個區(qū),外加正向電壓超過死區(qū)電壓(硅管0.5v，鍺管0.1v)時，內(nèi)電場 大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進(jìn)入正向?qū)▍^(qū),死區(qū),正向 導(dǎo)通區(qū),反向 截止區(qū),當(dāng)外加正向電壓很低時，由于外電場還 不能克服pn結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴(kuò)散運 動的阻力，故正向電流很小，幾乎為零。 這一區(qū)域稱之為死區(qū),外加反向電壓超過反向擊穿電壓ubr

19、時，反向電流突然增大，二 極管失去單向?qū)щ娦裕M(jìn)入反向擊穿區(qū),反向 擊穿區(qū),反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值,正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)的討論,當(dāng)外加正向電壓大于死區(qū)電壓時，二極管由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通，電壓再繼續(xù)增加時，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變，此時二極管端電壓稱為正向?qū)妷?硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7v，鍺二極管的正向?qū)妷杭s為0.3v,在二極管兩端加反向電壓時，將有很小的、由少子漂移運動形成的反向飽和電流通過二極管,反向電流有兩個特點：一是它隨溫度的上升增長很快，二是 在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定，而 與反向電壓的高低無關(guān)(與少子的數(shù)量有限

20、)。所以通常稱它為 反向飽和電流,3. 二極管的主要參數(shù),1）最大整流電流idm：指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由pn結(jié)的結(jié)面積和外界散熱條件決定,2）最高反向工作電壓urm：指二極管長期安全運行時所 能承受的最大反向電壓值。手冊上一般取擊穿電壓的一半作 為最高反向工作電壓值,3）反向電流ir：指二極管未擊穿時的反向電流。ir值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度的變化而變化較大，這一點要特別加以注意,4）最大工作頻率fm：此值由pn結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒆兊幂^差,4. 二極管的應(yīng)用舉例,注意：分析實際電路時為簡

21、單化，通常把二極管進(jìn)行理想 化處理，即正偏時視其為“短路”，截止時視其為“開路,ud=0,ud,正向?qū)〞r相當(dāng) 一個閉合的開關(guān),反向阻斷時相當(dāng) 一個打開的開關(guān),1)二極管的開關(guān)作用,2)二極管的整流作用,將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為整流。利用 二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路,二極管半波整流電路,二極管全波整流電路,橋式整流電路簡化圖,二極管橋式整流電路,3)二極管的限幅作用,圖示為一限幅電路。電源us是一個周期性的矩形脈沖， 高電平幅值為+5v，低電平幅值為-5v。試分析電路的輸出 電壓為多少,分析,當(dāng)輸入電壓ui=5v時，二極管反偏截止，此時電路 可視為開路，輸出電

22、壓u0=0v,當(dāng)輸入電壓ui= +5v時，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時二極管 管壓降近似為零，故輸出電壓u0+5v,顯然輸出電壓u0限幅在0+5v之間,u0,半導(dǎo)體二極管工作在擊穿區(qū)，是否一定被損壞？為什么,你會做嗎,何謂死區(qū)電壓？硅管和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少？為何會出現(xiàn)死區(qū)電壓,檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果,為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時又會明顯增大 ,穩(wěn)壓二極管的反向電壓幾乎不隨反向電流的變化而變化、 這就是穩(wěn)壓二極管的顯著特性,穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管，其反向擊穿可逆,正向特性與普通二極管相似,反向,iz,1.3 特殊二極管,1. 穩(wěn)壓二極管,實物圖,圖符號及文字符

23、號,顯然穩(wěn)壓管的伏安特性曲線比普通二極管的更加陡峭,使用穩(wěn)壓二極管時應(yīng)該注意的事項,1)穩(wěn)壓二極管正負(fù)極的判別,2)穩(wěn)壓二極管使用時，應(yīng)反向接入電路,uz,3)穩(wěn)壓管應(yīng)接入限流電阻,4)電源電壓應(yīng)高于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值,5)穩(wěn)壓管都是硅管。其穩(wěn)定電壓uz最低為3v，高的可達(dá) 300v，穩(wěn)壓二極管在工作時的正向壓降約為0.6v,思索與回顧,二極管的反向擊穿特性：當(dāng)外加反向電壓超過擊穿電壓時，通過二極管的電流會急劇增加。 擊穿并不意味著管子一定要損壞，如果我們采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗仆ㄟ^管子的電流，就能保證管子不因過熱而燒壞。如穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中一般都要加限流電阻r，使穩(wěn)壓管電流工作在izmax和izmi

24、x的范圍內(nèi)。 在反向擊穿狀態(tài)下，讓通過管子的電流在一定范圍內(nèi)變化，這時管子兩端電壓變化很小，穩(wěn)壓二極管就是利用這一點達(dá)到“穩(wěn)壓”效果的。穩(wěn)壓管正常工作是在反向擊穿區(qū),發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由pn結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?實物圖,圖符號和文字符號,單個發(fā)光二極管常作為電子設(shè)備通斷指示燈或快速光源及光電耦合器中的發(fā)光元件等。發(fā)光二極管一般使用砷化鎵、磷化鎵等材料制成?，F(xiàn)有的發(fā)光二極管能發(fā)出紅黃綠等顏色的光,發(fā)光管正常工作時應(yīng)正向偏置，因發(fā)光管屬于功率型器件，因此死區(qū)電壓較普通二極管高，其正偏工作電壓至少要在1.3v以上,發(fā)光管常用來作為

25、數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列器件,2. 發(fā)光二極管,光電二極管也稱光敏二極管，是將光信號變成電信號的半 導(dǎo)體器件，其核心部分也是一個pn結(jié)。光電二極管pn結(jié)的結(jié) 面積較小、結(jié)深很淺，一般小于一個微米,光電二極管的正常工作狀態(tài)是反向偏置。在反向電壓下， 無光照時，反向電流很小，稱為暗電流；有光照射時，攜帶 能量的光子進(jìn)入pn結(jié)，把能量傳給共價鍵上的束縛電子， 使部分價電子掙脫共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子空穴對，稱光 生載流子。光生載流子在反向電壓作用下形成反向光電流， 其強(qiáng)度與光照強(qiáng)度成正比,3. 光電二極管,光電二極管也稱光敏二極管，同樣具有單向?qū)щ娦?，光電管管殼上有一個能射入光線的“窗口

26、”，這個窗口用有機(jī)玻璃透鏡進(jìn)行封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上,實物圖,圖符號和文字符號,1.利用穩(wěn)壓管或普通二極管的正向壓降，是否也可以穩(wěn)壓,你會做嗎,檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果,2. 現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6v和8v，正向?qū)妷簽?.7v。試問：(1)若將它們串聯(lián)相接，可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少？(2)若將它們并聯(lián)相接，又可得到幾種穩(wěn)壓值？各為多少,3.在右圖所示電路中，發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓ud1.5v，正向電流在515ma時才能正常工作。試問圖中開關(guān)s在什么位置時發(fā)光二極管才能發(fā)光？r的取值范圍又是多少,1.4 雙極型三極管,三極管是組成各種電子電路的核心器件。三極管的產(chǎn)生使pn結(jié)的應(yīng)

27、用發(fā)生了質(zhì)的飛躍,1. 雙極型三極管的基本結(jié)構(gòu)和類型,雙極型晶體管分有npn型和pnp型，雖然它們外形各異，品種繁多，但它們的共同特征相同：都有三個分區(qū)、兩個pn結(jié)和三個向外引出的電極,發(fā)射極e,發(fā)射結(jié),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射區(qū),集電區(qū),集電極c,基極b,npn型,pnp型,根據(jù)制造工藝和材料的不同，三極管分有雙極型和單極型兩種類型。若三極管內(nèi)部的自由電子載流子和空穴載流子同時參與導(dǎo)電，就是所謂的雙極型。如果只有一種載流子參與導(dǎo)電，即為單極型,npn型三極管圖符號,大功率低頻三極管,小功率高頻三極管,中功率低頻三極管,目前國內(nèi)生產(chǎn)的雙極型硅晶體管多為npn型(3d系列)，鍺晶體管多為pnp型(3a

28、系列)，按頻率高低有高頻管、低頻管之別；根據(jù)功率大小可分為大、中、小功率管,e,c,b,pnp型三極管圖符號,e,c,b,注意：圖中箭頭方向為發(fā)射極電流的方向,2. 雙極型三極管的電流放大作用,晶體管芯結(jié)構(gòu)剖面圖,e發(fā)射極,集電區(qū)n,基區(qū)p,發(fā)射區(qū)n,b基極,c集電極,晶體管實現(xiàn)電流 放大作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件,1)發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，以便有 足夠的載流子供“發(fā)射,2)為減少載流子在基區(qū)的復(fù)合機(jī) 會，基區(qū)做得很薄，一般為幾個 微米，且摻雜濃度極低,3)集電區(qū)體積較大，且為了順利 收集邊緣載流子，摻雜濃度界于 發(fā)射極和基極之間,可見，雙極型三極管并非是兩個pn 結(jié)的簡單組合，而是利用一定的摻雜工藝制

29、作而成。因此，絕不能用兩個二極管來代替，使用時也決不允許把發(fā)射極和集電極接反,晶體管實現(xiàn)電流放大作用的外部條件,1)發(fā)射結(jié)必須“正向偏置”，以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散 電流即發(fā)射極電流ie，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形 成基極電流ib，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散,2)集電結(jié)必須“反向偏置”，以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的 多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流ic,ie,ic,ib,整個過程中，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射的電子數(shù)等于基區(qū)復(fù)合掉的電子與集電區(qū)收集的電子數(shù)之和，即： ie=ib+ic,結(jié)論,由于發(fā)射結(jié)處正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子自由電子將不斷擴(kuò)散到基區(qū)，并不斷從電源補充進(jìn)電子，形成發(fā)

30、射極電流ie,回顧與總結(jié),1. 發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子的過程,由于基區(qū)很薄，且多數(shù)載流子濃度又很低，所以從發(fā)射極擴(kuò)散過 來的電子只有很少一部分和基區(qū)的空穴相復(fù)合形成基極電流ib，剩下的絕大部分電子則都擴(kuò)散到了集電結(jié)邊緣,2. 電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合過程,集電結(jié)由于反偏，可將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣 的電子拉入集電區(qū)，從而形成較大的集電極電流ic,3. 集電區(qū)收集電子的過程,只要符合三極管發(fā)射區(qū)高摻雜、基區(qū)摻雜濃度很低，集電區(qū)的摻雜濃度介于發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間，且基區(qū)做得很薄的內(nèi)部條件，再加上晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的外部條件，三極管就具有了放大電流的能力,三極管的集電極電流ic稍小于

31、ie，但遠(yuǎn)大于ib，ic與ib的 比值在一定范圍內(nèi)基本保持不變。特別是基極電流有微小 的變化時，集電極電流將發(fā)生較大的變化。例如，ib由40 a增加到50a時，ic將從3.2ma增大到4ma，即,顯然，雙極型三極管具有電流放大能力。式中的值稱為 三極管的電流放大倍數(shù)。不同型號、不同類型和用途的三 極管，值的差異較大，大多數(shù)三極管的值通常在幾十 至幾百的范圍,由此可得：微小的基極電流ib可以控制較大的集電極電流ic，故雙極型三極管屬于電流控制器件,3. 雙極型三極管的特性曲線,所謂特性曲線是指各極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是三 極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)。從工程應(yīng)用角度來看，外 部特性更為重要

32、,1) 輸入特性曲線,以常用的共射極放大電路為例說明,uce=0v,令ubb從0開始增加,令ucc為0,uce=0時的輸入特性曲線,uce為0時,令ubb重新從0開始增加,增大ucc,讓uce=0.5v,uce =1v,uce=0.5v,uce=0.5v的特性曲線,繼續(xù)增大ucc,讓uce=1v,令ubb重新從0開始增加,uce=1v,uce=1v的特性曲線,繼續(xù)增大ucc使uce=1v以上的多個值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：之后 的所有輸入特性幾乎都與uce=1v的特性相同，曲線基本不 再變化,實用中三極管的uce值一般都超過1v，所以其輸入特性通常采用uce=1v時的曲線。從特性曲線可看出，雙極型三極管的

33、輸入特性與二極管的正向特性非常相似,uce1v的特性曲線,2) 輸出特性曲線,先把ib調(diào)到某一固定值保持不變,當(dāng)ib不變時，輸出回路中的電流ic與管子輸出端電壓uce之間的關(guān)系曲線稱為輸出特性,然后調(diào)節(jié)ucc使uce從0增大，觀察毫安表中ic的變化并記錄下來,根據(jù)記錄可給出ic隨uce變化的伏安特性曲線，此曲線就是晶體管的輸出特性曲線,ib,0,再調(diào)節(jié)ib1至另一稍小的固定值上保持不變,仍然調(diào)節(jié)ucc使uce從0增 大，繼續(xù)觀察毫安表中ic 的變化并記錄下來,根據(jù)電壓、電流的記錄值可繪出另一條ic隨uce變化的伏安特性曲線，此曲線較前面的稍低些,ib1,ib2,ib3,ib=0,如此不斷重復(fù)上

34、述過程，我們即可得到不同基極電流ib對應(yīng)相應(yīng)ic、uce數(shù)值的一組輸出特性曲線,輸出曲線開始部分很陡，說明ic隨uce的增加而急劇增大,當(dāng)uce增至一定數(shù)值時(一般小于1v)，輸出特性曲線變得平坦，表明ic基本上不再隨uce而變化,當(dāng)ib一定時，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)uce超過1v以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流ic 。之后即使uce繼續(xù)增大，集電極電流ic也不會再有明顯的增加，具有恒流特性,當(dāng)ib增大時，相應(yīng)ic也增大，輸出特性曲線上移， 且ic增大的幅度比對應(yīng)ib大得多。這一點正是晶體管的電流放大作用,從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù),取任意再兩

35、條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差,再讀出這兩條曲線對應(yīng)的集電極電流之差ic=1.3ma,ic,于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)： =ic/ib=1.30.04=32.5,輸出特性曲線上一般可分為三個區(qū),飽和區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置時，三極管處于飽和狀態(tài)。此時集電極電流ic與基極電流ib之間不再成比例關(guān)系，ib的變化對ic的影響很小,截止區(qū)。當(dāng)基極電流ib等于0時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。實際上當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓處在正向死區(qū)范圍時，晶體管就已經(jīng)截止，為讓其可靠截止，常使ube小于和等于零,放 大 區(qū),晶體管工作在放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正 偏，集電結(jié)反偏。在放大區(qū)，集電極電 流與基極電流之間成

36、倍的數(shù)量關(guān)系， 即晶體管在放大區(qū)時具有電流放大作用,4. 雙極型三極管的電流放大位數(shù)和極限參數(shù),1)電流放大倍數(shù),2)極限參數(shù),集電極最大允許電流icm,反向擊穿電壓u(br)ceo,ucc,u(br ) ceo,基極開路,指基極開路時集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓,使用中若超過此值,晶體管的集電結(jié)就會出現(xiàn)雪崩擊穿,值的大小反映了晶體管的電流放大能力,icicm時，晶體管不一定燒損，但值明顯下降,集電極最大允許功耗pcm,晶體管上的功耗超過pcm，管子將損壞,安 全 區(qū),晶體管的發(fā)射極和集電極是不能互換使用的。因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜質(zhì)濃度差別較大，如果把兩個極互換使用，則嚴(yán)重影響晶體管的電流

37、放大能力，甚至造成放大能力喪失,晶體管在輸出特性曲線的飽和區(qū)工作時，uceube，集電結(jié)也處于正偏，這時內(nèi)電場被大大削弱，因此極不利于集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)到達(dá)集電結(jié)邊緣的電子，這種情況下，集電極電流ic與基極電流ib不再是倍的關(guān)系，因此，晶體管的電流放大能力大大下降,為了使發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電子的絕大多數(shù)無法在基區(qū)和空穴復(fù)合，由于基區(qū)摻雜深度很低且很薄，因此只能有極小一部分?jǐn)U散電子與基區(qū)空穴相復(fù)合形成基極電流，剩余大部分?jǐn)U散電子繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散，由于集成電結(jié)反偏，這些集結(jié)到集電結(jié)邊緣的自由電子被集電極收集后形成集電極電流,學(xué)習(xí)與討論,用萬用表測試二極管好壞及極性的方法,用萬用表歐姆檔檢查二極管是否存在單

38、向?qū)щ娦裕坎⑴袆e其極性,正向?qū)娮韬苄?。指針偏轉(zhuǎn)大,反向阻斷時電 阻很大，指針基本不動,選擇萬用表r1k 的歐姆檔，其中黑表棒作為電源正極， 紅表棒作為電源負(fù)極，根據(jù)二極管正向?qū)?、反向阻斷?單向?qū)щ娦詫⒈戆魧φ{(diào)一次即可測出其極性及好壞,用萬用表測試三極管好壞及極性的方法,用指針式萬用表檢測三極管的基極和管型,指針不動，說明管子反偏截止，因此為npn型,先將萬用表置于rlk歐姆檔，將紅表棒接假定的基極b，黑表棒分別與另兩個極相接觸，觀測到指針不動(或近滿偏)時，則假定的基極是正確的;且晶體管類型為npn型（或pnp型,如果把紅黑兩表棒對調(diào)后，指針仍不動(或仍偏轉(zhuǎn))，則說明管子已經(jīng)老化(或已

39、被擊穿)損壞,想一想，這種檢測方法依據(jù)的是什么,指針偏轉(zhuǎn)，說明管子正向?qū)?，因此為pnp型,pn結(jié)的 單向?qū)щ娦?若被測管為npn三極管，讓黑表棒接假定的集電極c ，紅表棒接假定的發(fā)射極e 。兩手分別捏住b、c兩極充當(dāng)基極電阻rb(兩手不能相接觸)。注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大??；之后，再將兩檢測極反過來假定，仍然注意觀察電表指針偏轉(zhuǎn)的大小,c,b,e,人體電阻,c,b,e,人體電阻,假定極正確,假定極錯誤,用萬用表r1k歐姆檔判別發(fā)射極e和集電極c,偏轉(zhuǎn)較大的假定極是正確的！偏轉(zhuǎn)小的反映其放大能力下降，即集電極和發(fā)射極接反了。 如果兩次檢測時電阻相差不大，則說明管子的性能較差,1.三極管起電流放

40、大作用，其內(nèi)部、外部條件分別要滿足哪些,你會做嗎,檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果,2.使用三極管時，只要集電極電流超過icm值；耗散功率超過pcm值；集射極電壓超過u（br）ceo值，三極管就必然損壞。上述說法哪個是對的,3.用萬用表測量某些三極管的管壓降得到下列幾組數(shù)據(jù)，說明每個管子是npn型還是pnp型？是硅管還是鍺管？它們各工作在什么區(qū)域？ ube0.7v，uce0.3v； ube0.7v，uce4v； ube0v，uce4v； ube0.2v，uce0.3v； ube0v，uce4v,npn硅管，飽和區(qū),npn硅管，放大區(qū),npn硅管，截止區(qū),pnp鍺管，放大區(qū),pnp鍺管，截止區(qū),1.5 單極型三極管

41、,雙極型三極管是利用基極小電流去控制集電極較大電流的 電流控制型器件，因工作時兩種載流子同時參與導(dǎo)電而稱之 為雙極型。單極型三極管因工作時只有多數(shù)載流子一種載流 子參與導(dǎo)電，因此稱為單極型三極管；單極型三極管是利用 輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制輸出電流的電壓控制型器件,上圖所示為單極型三極管產(chǎn)品實物圖。單極型管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類，其中絕緣柵型場效應(yīng)管應(yīng)用最為廣泛，其 中又分增強(qiáng)型和耗盡型兩類，且各有n溝道和p溝道之分,1、mos管的基本結(jié)構(gòu),n,n,以p型硅為襯底,二氧化硅(sio2)絕緣保護(hù)層,兩端擴(kuò)散出兩個高濃度的n區(qū),n區(qū)與p型襯底之間形成兩個pn結(jié),由襯底引出電極b,由高濃度的n

42、區(qū)引出的源極s,由另一高濃度n區(qū)引出的漏極d,由二氧化硅層表面直接引出柵極g,雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高,大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起,鋁電極、金屬 （metal,二氧化硅氧化物 （oxide,半導(dǎo)體 （semiconductor,故單極型三極管又稱為mos管,mos管電路的連接形式,漏極與源極間 電源uds,柵極與源極間 電源ugs,如果襯底在出廠前未連接到源極上，則要根據(jù)電路具體情況正確連接。一般p型硅襯底應(yīng)接低電位，n型硅襯底應(yīng)接高電位，由導(dǎo)電溝道的不同而異,不同類型mos管的電路圖符號,由圖可看出，襯底的箭頭方向表明了場效應(yīng)管是n溝道還是p溝道：箭頭向里是n溝道，箭頭向外是p

43、溝道,虛線表示 增強(qiáng)型,實線表示 耗盡型,2. 工作原理,以增強(qiáng)型nmos管為例說明其工作原理。n溝道增強(qiáng)型mos管不存在原始導(dǎo)電溝道,當(dāng)柵源極間電壓ugs=0 時，增強(qiáng)型mos管的漏極和源極之間相當(dāng)于存在兩個背靠背的pn結(jié),不存在 原始溝道,uds,ugs=0,此時無論uds是否為0，也無論其極性如何，總有一個pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此mos管不導(dǎo)通，id=0。mos管處于截止區(qū),p,id=0,怎樣才能產(chǎn)生導(dǎo)電溝道呢,在柵極和襯底間加ugs且與源極連在一起，由于二氧化硅絕緣層的存在，電流不能通過柵極。但金屬柵極被充電，因此聚集大量正電荷,uds=0,ugs,電場力 排斥空穴,二氧化硅層在 ug

44、s作用下被充 電而產(chǎn)生電場,形成耗盡層,出現(xiàn)反型層 形成 導(dǎo)電溝道,電場吸引電子,導(dǎo)電溝道形成時，對應(yīng)的柵源間電壓ugs=ut稱為開啟電壓,ut,當(dāng)ugsut、uds0且較小時,uds,ugs,id,當(dāng)ugs繼續(xù)增大，uds仍然很小且不變時，id隨著ugs的增大而增大,此時增大uds，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)梯度，id又將隨著uds的增大而增大,直到ugd=ugsuds=ut時，相當(dāng)于uds增加使漏極溝道縮減到導(dǎo)電溝道剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，id基本飽和,導(dǎo)電溝道加厚 產(chǎn)生漏極電流,如果繼續(xù)增大uds，使ugdut時，溝道夾斷區(qū)延長，id達(dá)到最大且恒定，管子將從放大區(qū)跳出而進(jìn)入飽和區(qū),溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷時工作在放大狀態(tài)，放大區(qū)id幾乎與uds的變化無關(guān)，只受ugs的控制。即mos管是利用柵源電壓ugs來控制漏極電流id